物理学史10-1.ppt

1、第十章 凝聚态物理学简史10.1 10.1 历史概述历史概述历史概述历史概述 由大量原子、分子或离子集聚而成的固态和液态物质统称为由大量原子、分子或离子集聚而成的固态和液态物质统称为凝聚态物质凝聚态物质，凝聚态物理学就是研究这些物质的物理性质、微观结构、粒子运动形态及其凝聚态物理学就是研究这些物质的物理性质、微观结构、粒子运动形态及其相互关系的学科。相互关系的学科。固态和液态物质的宏观变化规律早有所了解，不过大都属于表象规律。从固态和液态物质的宏观变化规律早有所了解，不过大都属于表象规律。从结构上说，凝聚态物质比气态要复杂得多，因为凝聚态物质的原子（或分子）结构上说，凝聚态物质比气态要复杂得多

2、，因为凝聚态物质的原子（或分子）间距与原子（或分子）本身的线度在数量级上大致相同，原子间有较强的相间距与原子（或分子）本身的线度在数量级上大致相同，原子间有较强的相互作用力，因此经典理论不适用于处理凝聚态的微观过程。只有进入互作用力，因此经典理论不适用于处理凝聚态的微观过程。只有进入20世纪，世纪，在认识了原子结构和量子规律之后，才对这些物质的物理性质、结构及其内在认识了原子结构和量子规律之后，才对这些物质的物理性质、结构及其内部运动规律取得真正的认识。部运动规律取得真正的认识。凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的。凝聚态物理学是由固体物理学发展而来的。20世纪初，物理学发展史中有世纪初，物理

3、学发展史中有几个里程碑事件与固体物理学有关，例如：几个里程碑事件与固体物理学有关，例如：1907年爱因斯坦把量子概念用于年爱因斯坦把量子概念用于点阵振动来解释固体的比热，点阵振动来解释固体的比热，1912年劳厄发现晶体的年劳厄发现晶体的X射线衍射，射线衍射，1913年布年布拉格父子用拉格父子用X射线衍射研究晶体点阵，射线衍射研究晶体点阵，1927年索末菲提出金属的半经典电子年索末菲提出金属的半经典电子论，论，1928年海森伯提出铁磁性的微观理论，布洛赫提出能带论。年海森伯提出铁磁性的微观理论，布洛赫提出能带论。20世纪世纪30年年代，固体物理学以量子力学作为理论基础蓬勃发展起来，成为一门研究固

4、体代，固体物理学以量子力学作为理论基础蓬勃发展起来，成为一门研究固体各种物理性质（力学、电学、光学、热学、磁学等性质）、微观结构及其内各种物理性质（力学、电学、光学、热学、磁学等性质）、微观结构及其内部运动规律的学科。以后的几十年里，固体物理学的研究对象主要是晶体。部运动规律的学科。以后的几十年里，固体物理学的研究对象主要是晶体。第十章 凝聚态物理学简史20世纪世纪70年代以来，由于社会对新材料的需要，使固体物理学的研究集中固年代以来，由于社会对新材料的需要，使固体物理学的研究集中固体的表面和原子、分子无规则的排列形态，开创了表面物理学和非晶物理学；体的表面和原子、分子无规则的排列形态，开创了

5、表面物理学和非晶物理学；此外还援救了液晶和超流体。此外还援救了液晶和超流体。20世纪末，固体物理学的领域已扩大成为包括世纪末，固体物理学的领域已扩大成为包括量子液体及其他液体的综合性学科，形成了凝聚态物理学。量子液体及其他液体的综合性学科，形成了凝聚态物理学。时至今日，我们已经可以从凝聚态的微观理论出发，建立物理模型，借助时至今日，我们已经可以从凝聚态的微观理论出发，建立物理模型，借助大型计算机计算电子结构，并依据物质的原子结构和电子结构来解释材料的大型计算机计算电子结构，并依据物质的原子结构和电子结构来解释材料的各种特性；可以按照预先的构想和设计，制备具有新奇性能的微结构，或制各种特性；可以

6、按照预先的构想和设计，制备具有新奇性能的微结构，或制备具有优异性能的人工材料和器件；可以利用扫描隧道显微镜直接观察固体备具有优异性能的人工材料和器件；可以利用扫描隧道显微镜直接观察固体中原子的形貌及其运动；还可以在超低温、超高压、超真空、超强磁场和强中原子的形貌及其运动；还可以在超低温、超高压、超真空、超强磁场和强光作用等极端条件下研究凝聚态的原子结构、电子结构及其与宏观性质的关光作用等极端条件下研究凝聚态的原子结构、电子结构及其与宏观性质的关系。凝聚态物理学正方兴未艾，前途无量。由于凝聚态领域的研究具有极强系。凝聚态物理学正方兴未艾，前途无量。由于凝聚态领域的研究具有极强的应用背景，新材料的

7、研制、电子工业的应用背景，新材料的研制、电子工业 的发展，都与它有密切关系，因此从的发展，都与它有密切关系，因此从20世纪中叶以来，这门学科就成了物理学中发展最快、规模最大的一个分支。世纪中叶以来，这门学科就成了物理学中发展最快、规模最大的一个分支。第十章 凝聚态物理学简史 近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：近年来凝聚态物理学发展的趋势大致是：（1）由研究体内性质转到研究表面、界面性质；）由研究体内性质转到研究表面、界面性质；（2）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系；）由研究三维体系转到研究低维（一维、二维）体系；（3）由研究晶态转到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变；）由研究晶态转

8、到研究瞬态、亚稳态、临界现象和相变；（4）由研究性质单一体系转到共性体系；）由研究性质单一体系转到共性体系；（5）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷；）由研究理想晶体转到研究晶体中的杂质和缺陷；（6）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体）由研究普通的晶体转到研究半导体和金属的人工量子晶体超晶格。超晶格。由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。由于凝聚态物理学研究的领域太广，下面仅就几个基础的领域作简要介绍。第十章 凝聚态物理学简史10.2 10.2 晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析弗里德里希和尼平的弗里德里希和尼平的X射线衍射实验装

9、置射线衍射实验装置 1912年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想：既年德国物理学劳厄提出了一个非常卓越的思想：既然晶体的相邻原子间距和然晶体的相邻原子间距和X射线波长有相同数量级，那么射线波长有相同数量级，那么X射线通过晶体就会发生衍射现象。射线通过晶体就会发生衍射现象。劳厄劳厄 对晶体对晶体X射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物射线衍射现象的解释，应主要归功于英国物理学家理学家布拉格父子布拉格父子当时，曾在伦琴实验室内研究过当时，曾在伦琴实验室内研究过X射射线的线的弗里德里希弗里德里希和和尼平尼平着手从实验着手从实验上证实劳厄的思想，他们把一块亚上证实劳厄的思想，他们把一块亚硫酸铜晶体

10、放在一束准直的硫酸铜晶体放在一束准直的X射线中，射线中，在晶体后面一定距离处放置照相底在晶体后面一定距离处放置照相底片。发现：当晶片。发现：当晶则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有则排列的黑点，排列的形状与晶体光栅的几何形状有关。关。这一实验不仅说明了这一实验不仅说明了X射线的电磁本性，而且肯定射线的电磁本性，而且肯定了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体了晶体空间点阵结构假设的正确性，并提出了对晶体进行结构分析的方法。进行结构分析的方法。体与体与X射线同向时，底片上出现规射线同向时，底片上出现规第十章 凝聚态物理学简史劳伦斯劳伦斯布拉格的原子面反射原理图布拉格的原子面反射原

11、理图 劳厄和布拉格父子开创性的工作已劳厄和布拉格父子开创性的工作已成为晶体结构分析的基础，是固体物成为晶体结构分析的基础，是固体物理学发展史中一个重要的里程碑。理学发展史中一个重要的里程碑。劳厄劳厄1914年获诺贝尔物理学奖，布拉格年获诺贝尔物理学奖，布拉格父子父子1915年获诺贝尔物理学奖。小布拉格年获诺贝尔物理学奖。小布拉格当年仅当年仅25岁，从而成为岁，从而成为最年轻的获奖者最年轻的获奖者。10.3 10.3 导电理论的研究导电理论的研究导电理论的研究导电理论的研究1、金属电子论、金属电子论 20世纪以前，人们已经掌握了有关金属导电的一些经验规律（如欧姆定律、世纪以前，人们已经掌握了有关

12、金属导电的一些经验规律（如欧姆定律、维德曼维德曼-夫兰兹定律等），气体动理论在处理理想气体问题上获得很大成功，夫兰兹定律等），气体动理论在处理理想气体问题上获得很大成功，1897年，汤姆孙发现了电子。年，汤姆孙发现了电子。1900年特鲁德提出金属自由电子气模型。把金年特鲁德提出金属自由电子气模型。把金属中的电子看成服从玻尔兹曼统计的自由电子气，引入平均自由程概念，推属中的电子看成服从玻尔兹曼统计的自由电子气，引入平均自由程概念，推导出金属的热导率与电导率，并找到了它们之间的关系，从而解释了导电性导出金属的热导率与电导率，并找到了它们之间的关系，从而解释了导电性好的金属也是热的良导体的事实。利用

13、这一理论能成功证明欧姆定律和维德好的金属也是热的良导体的事实。利用这一理论能成功证明欧姆定律和维德曼曼-夫兰兹定律。夫兰兹定律。在在特鲁德工作的基础上，特鲁德工作的基础上，1905年，洛伦兹建立了更完善的自由电子气模型。年，洛伦兹建立了更完善的自由电子气模型。第十章 凝聚态物理学简史 尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到尽管金属电子论取得了多方面的成功，但不久就遇到重重困难。直到1926年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一年，海森伯和薛定谔等建立了描述微观粒子运动的量子力学之后，才得到一定程度的克服。定程度的克服。1927年，索末菲提出了金

14、属的半经典电子论，认为金属中的年，索末菲提出了金属的半经典电子论，认为金属中的电子是服从费米电子是服从费米-狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米狄拉克量子统计的简并电子气，由此得出了费米能级、费米面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法面等一系列重要概念并成功地解决了电子比热容比经典值小等经典模型无法解释的问题。解释的问题。2、能带理论的建立、能带理论的建立 能带理论是固体物理学中最重要的基础理论，它的出现是量子力学、量子统能带理论是固体物理学中最重要的基础理论，它的出现是量子力学、量子统计学在固体中应用得最直接、最重要的结果。能带理论成功地解决了索末

15、菲半计学在固体中应用得最直接、最重要的结果。能带理论成功地解决了索末菲半经典电子论处理金属所遗留下来的问题，为其后固体物理学的大发展作了准备。经典电子论处理金属所遗留下来的问题，为其后固体物理学的大发展作了准备。能带理论是由能带理论是由布洛赫布洛赫（19051983，瑞士，瑞士-美国物理学家）建立的。美国物理学家）建立的。1927年，布洛赫成为了海森伯的研究生。他选择了有关金属导电理论作为博年，布洛赫成为了海森伯的研究生。他选择了有关金属导电理论作为博士论文的课题。士论文的课题。1928年夏，布洛赫完成了他的全部计算工作，博士论文的题目年夏，布洛赫完成了他的全部计算工作，博士论文的题目是是“晶

16、格中电子的量子力学晶格中电子的量子力学”，他的论文问世后，许多科学家立刻意识到能带，他的论文问世后，许多科学家立刻意识到能带结构将是决定固体各种特殊性质的关键。应用它不仅可以说明金属、半导体和结构将是决定固体各种特殊性质的关键。应用它不仅可以说明金属、半导体和绝缘体的区别，而且也是说明物质磁性、输运性质以及超导电性质的先决条件。绝缘体的区别，而且也是说明物质磁性、输运性质以及超导电性质的先决条件。能带理论为现代固体理论奠定了基础。半个多世纪以来，对具体材料的能带能带理论为现代固体理论奠定了基础。半个多世纪以来，对具体材料的能带进行理论计算和实验研究，一直是固体物理中的重要基础课题。经过布洛赫、进行理论计算和实验研究，一直是固体物理中的重要基础课题。经过布洛赫、佩尔斯、威尔逊、布里渊等科学家的努力，逐渐建立了完善的固体能带理论。佩尔斯、威尔逊、布里渊等科学家的努力，逐渐建立了完善的固体能带理论。第十章 凝聚态物理学简史为之后为之后的半导体发展提供了理论基础。的半导体发展提供了理论基础。3、晶体管的发明、晶体管的发明 晶体管的发明是固体物理学理论指导实践的产物，是科学家长期探索的结果。晶体